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青藏高原季节性冻土区是我国原油管线穿越和成品油(柴油、机油等)转输的重要枢纽和途经之地,管道加热技术的应用逐步缓解了该区域冻融循环引起的管道破损原油泄露问题,而成品油运输事故及其转运油站废弃引起的油品泄漏已成为土壤及水环境(土壤水和上层滞水及地表水)污染的首要来源,污染亟待解决。该区域现有研究主要集中于石油类污染现状、迁移转化机制和石油污染微生物响应机制等方向,但就不同石油烃类污染(如柴油、机油)与不同污染年限下(污染后1年、2年,甚至多年)微生物群落演替、土著石油降解菌群筛选鉴定及石油类污染混合菌群降解效能的相关报道较少。
本研究针对以上问题,采用现场实验和室内模拟相结合的研究手段,借助高通量测序和传统生物培养及鉴定技术,以柴油、机油为典型的石油烃类污染物,系统地开展了青藏高原冻土区石油烃类污染土壤微生物菌群特征及其高效降解菌群筛选的相关研究,分析了不同污染年限下(非连续污染,即一次污染后1年、2年取样)不同石油烃类(柴油、机油)污染土壤菌群演替特征及其驱动因子,识别了土著石油降解功能群组,并进行了高效土著柴油、机油降解混合菌群的筛选与鉴定;考虑到石油烃类的降解难度和实际应用量级,本研究以柴油为成品油污染代表,开展低温环境下已筛选降解菌液土壤/水溶液污染生物修复效能考察,旨在为下一步冻土区污染场地污染土壤/水环境生物修复示范提供研究基础和理论支撑。主要的研究成果如下:
(1)研究区域土壤理化性质及土壤温度的调查显示,未污染土样(含表层和中层土样)整体偏酸性,土壤纵向理化性质总体差异较小(P>0.05),表层未污染土样的总氮和硝氮略高于中层未污染土样,但有机质、总磷、氨氮均低于中层未污染土样;其次,夏季是土壤污染生物修复的关键时期,表层土壤5~10℃有助于微生物代谢活性保持,为土著石油降解功能菌群筛选分离和生物修复的最佳温度。
(2)土壤微生物数量及结构分析显示,石油烃类污染改变了微生物数量,机油污染土样微生物数量最高,其次为柴油污染土样和未污染土样;石油烃类污染物类型(柴油、机油)和污染年限(污染后1年及2年)是驱动土壤微生物多样性和结构演替的主要因素,即机油污染组(含污染后1年及2年土样)多样性明显高于柴油污染组(含污染后1年及2年土样),且随着污染年限的增加,石油烃类污染土样多样性呈升高趋势,同时各个土样不同分类水平下优势菌群及相对丰度呈现差异;识别具有石油烃类降解功能的土著菌属共7种,另有多数细菌暂无法培养鉴别,可能为潜在的石油烃类降解菌,其功能和作用需进一步研究。
(3)土著石油烃类降解菌群筛选、鉴定结果显示,低温筛选可获得土著高效石油烃类降解菌群,柴油菌液接种组(DDB)第17d降解率达62.63%,机油菌液接种组(EODB)第30d降解率达54.73%,经鉴定细胞尺寸在2μm左右,且多数为杆菌,且其中8个属均有烃类降解能力或参与烃类代谢过程。
(4)低温土壤/水溶液柴油模拟污染生物修复结果显示,锯末添加和定期翻耕可有效改善土壤污染低温生物修复效果,第60d降解率达49.21%;电子受体和表面活性剂添加可提高液体低温生物降解效率,当H2O2、APG、Tw-80添加量分别为100mg/L、300mg/L、150mg/L时,柴油降解率最高,达67.13%,直观分析指出,表面活性剂在柴油降解过程中可能起主导作用。
本研究针对以上问题,采用现场实验和室内模拟相结合的研究手段,借助高通量测序和传统生物培养及鉴定技术,以柴油、机油为典型的石油烃类污染物,系统地开展了青藏高原冻土区石油烃类污染土壤微生物菌群特征及其高效降解菌群筛选的相关研究,分析了不同污染年限下(非连续污染,即一次污染后1年、2年取样)不同石油烃类(柴油、机油)污染土壤菌群演替特征及其驱动因子,识别了土著石油降解功能群组,并进行了高效土著柴油、机油降解混合菌群的筛选与鉴定;考虑到石油烃类的降解难度和实际应用量级,本研究以柴油为成品油污染代表,开展低温环境下已筛选降解菌液土壤/水溶液污染生物修复效能考察,旨在为下一步冻土区污染场地污染土壤/水环境生物修复示范提供研究基础和理论支撑。主要的研究成果如下:
(1)研究区域土壤理化性质及土壤温度的调查显示,未污染土样(含表层和中层土样)整体偏酸性,土壤纵向理化性质总体差异较小(P>0.05),表层未污染土样的总氮和硝氮略高于中层未污染土样,但有机质、总磷、氨氮均低于中层未污染土样;其次,夏季是土壤污染生物修复的关键时期,表层土壤5~10℃有助于微生物代谢活性保持,为土著石油降解功能菌群筛选分离和生物修复的最佳温度。
(2)土壤微生物数量及结构分析显示,石油烃类污染改变了微生物数量,机油污染土样微生物数量最高,其次为柴油污染土样和未污染土样;石油烃类污染物类型(柴油、机油)和污染年限(污染后1年及2年)是驱动土壤微生物多样性和结构演替的主要因素,即机油污染组(含污染后1年及2年土样)多样性明显高于柴油污染组(含污染后1年及2年土样),且随着污染年限的增加,石油烃类污染土样多样性呈升高趋势,同时各个土样不同分类水平下优势菌群及相对丰度呈现差异;识别具有石油烃类降解功能的土著菌属共7种,另有多数细菌暂无法培养鉴别,可能为潜在的石油烃类降解菌,其功能和作用需进一步研究。
(3)土著石油烃类降解菌群筛选、鉴定结果显示,低温筛选可获得土著高效石油烃类降解菌群,柴油菌液接种组(DDB)第17d降解率达62.63%,机油菌液接种组(EODB)第30d降解率达54.73%,经鉴定细胞尺寸在2μm左右,且多数为杆菌,且其中8个属均有烃类降解能力或参与烃类代谢过程。
(4)低温土壤/水溶液柴油模拟污染生物修复结果显示,锯末添加和定期翻耕可有效改善土壤污染低温生物修复效果,第60d降解率达49.21%;电子受体和表面活性剂添加可提高液体低温生物降解效率,当H2O2、APG、Tw-80添加量分别为100mg/L、300mg/L、150mg/L时,柴油降解率最高,达67.13%,直观分析指出,表面活性剂在柴油降解过程中可能起主导作用。